Le destin des étoiles Depuis notre plus tendre enfance le ciel nous accompagne. La physique peut nous aider à comprendre nos observations et les mystères qu’elles nous révèlent sur l’univers. Paradoxalement, les réponses sur l'infiniment grand passent par la connaissance de l'infiniment petit. Des témoins de l'histoire de l'Univers apparaissent sur ce premier transparent :  un morceau d'environ 2 tonnes d'une météorite (tombée au Mexique à Pueblito de Allende en 1969 et qui a apporté de précieuses informations sur la composition de l'Univers extraTerrestre);  la Terre dont nous connaissons à peu près la composition et l'histoire;  le Soleil, étoile la plus proche de nous et dont la Terre est une planète. Nous expliquerons son fonctionnement et son évolution;  différentes étoiles qui apparaissent plus ou moins grosses et plus ou moins brillantes;  une accumulation de poussières dans le Grand Nuage de Magellan, provenant de l'explosion d'une étoile massive. Le Grand Nuage de Magellan est une galaxie proche de nous. La voie lactée, que nous pouvons observer la nuit, est la galaxie dans laquelle se situe notre soleil et la Terre. Au cours de cet exposé nous verrons apparaître différents types d’étoiles que nous connaissons actuellement et leur évolution au cours du temps.

Les étoiles… Mais est-ce vrai ? Depuis la nuit des temps, les hommes observent les étoiles. Elles semblent immuables, insensibles au temps qui passe Mais est-ce vrai ? Nous observons les étoiles, mais qu’est-ce qu’une étoile? Ont-elles un destin ? Nous savons désormais que c’est une très grande masse de gaz qui s’est contractée sous l’effet de la gravitation. Elle émet de la lumière grâce à l’énergie nucléaire libérée en son sein. CSNSM CNRS-IN2P3

Une étoile a explosé ! En 1054, les Chinois et les indiens Navajos ont observé l’explosion d’une étoile…. L’observation à l’œil nu de l’explosion d’une étoile en 1054 par les Chinois et les indiens Navajos a montré que les étoiles n’étaient pas immuables mais devaient avoir un destin. Les résidus de cette explosion forment ce qu’on appelle maintenant la nébuleuse du crabe (Messier 1) qui se trouve à 6000 années-lumière.Cette explosion est appelée supernova. Au centre de la nébuleuse du crabe, se trouve une étoile à neutrons qui tourne sur elle-même 30 fois par seconde. Crédit : ESO/VLT On voit encore les restes de nos jours : Il s’agit de la nébuleuse du crabe. CSNSM CNRS-IN2P3

Le classement des étoiles 3000° 5000° 7500° 30000° 1 100 10000 0,01 0,0001 luminosité Fin XIXème, on mesure Les luminosités, Les distances, les couleurs des étoiles Super géantes rouges Géantes soleil Séquence principale En 1905, Hertzsprung au Danemark, Russel aux USA, placent les étoiles sur un diagramme selon leur luminosité et leur température La couleur des étoiles permet de connaître la température de leur surface en se référant au spectre d’émission du corps noir. En effet, tout corps chauffé émet de la lumière dont la couleur varie avec sa température. L’échelle des abscisses donne la température. Elle croît de la droite vers la gauche. A droite les étoiles sont rouges, et leur surface assez froide. A gauche elles sont beaucoup plus blanches et leur surface est chaude. En ordonnée, la luminosité est relative à celle du soleil. Le soleil se trouve donc à 1 avec une température de surface de 6000°K. Constatons que les étoiles se groupent en plusieurs zones. Les plus nombreuses se trouvent concentrées dans une zone traditionnellement appelée séquence principale. Sur la séquence principale, plus les étoiles sont massives, et plus elles sont lumineuses. En haut, à gauche se trouvent les étoiles de plus de 10 masses solaires, tandis qu’en bas, à droite se trouvent les étoiles ayant une fraction de masse solaire. Au-dessus se trouvent des étoiles rouges très grosses et très lumineuses : les géantes rouges, avec encore au-dessus des supergéantes rouges. En bas, à gauche se trouvent des étoiles très chaudes mais peu lumineuses. Très petites, ce sont les naines blanches. Naines CSNSM CNRS-IN2P3

Les spectres lumineux A très haute température chaque élément émet un spectre de lumière caractéristique des éléments chimiques présents Si la lumière traverse de la matière chaude, comme à la surface des étoiles, on peut observer à la place un spectre d’absorption Les étoiles, les nébuleuses, émettent des spectres caractéristiques des éléments chimiques qui les composent. Mais si la lumière traverse de la matière chaude, comme la coquille extérieure des étoiles, on observe à la place un spectre d’absorption. Les raies sombres caractérisent alors les éléments présents dans la matière traversée. CSNSM CNRS-IN2P3

L’abondance des éléments Spectres de lumière des étoiles et du soleil Echantillons de terre, lune, météorites, matière interstellaire Rayonnement cosmique H He D Li Be B groupe du fer Abondance relative 1 0,01 104 100 108 106 1010 Masse atomique 50 150 200 250 L’abondance des éléments dans le système solaire et dans les étoiles proches est très similaire. Pour obtenir la courbe ci-dessus, on mesure en particulier la composition de la lumière émise par le soleil et les étoiles car à chaque élément sont associées des raies d’absorption et d’émission caractéristiques qui permettent de l’identifier et de mesurer son abondance relative. On voit que l’univers est essentiellement composé d’hydrogène (un proton, un électron : l'atome le plus simple) et d’hélium (deux protons, deux neutrons, deux électrons). L’abondance des éléments chute ensuite très rapidement : 10 millions de fois moins de calcium que d’hydrogène. Puis on observe une remontée autour du fer, et enfin une décroissance plus lente, mais avec plusieurs petites remontées autour des noyaux à 50, 82 et 126 neutrons, que l’on dit « magiques ». On voit aussi que le lithium (Z=3), le béryllium(Z=4) et le bore(Z=5) sont très rares. Il nous faut arriver à comprendre cette courbe étrange… Et pour cela, il va falloir faire intervenir des mécanismes très différents qui se produisent dans des sites très variés. CSNSM CNRS-IN2P3

Qu’est-ce que la matière ? atome électron noyau Photo CERN molécule atome La matière est composée d’atomes Les atomes sont composés d’un noyau chargé positivement autour duquel gravitent des électrons portant chacun une charge négative. Leur nombre détermine les propriétés chimiques de l’atome Photo CERN CSNSM CNRS-IN2P3

Les éléments chimiques La table périodique des éléments de Mendeleiev Les éléments de l’Univers Plus de 110 éléments chimiques différents trouvent leur place dans le tableau périodique (dit "de Mendeleiev"). Les 90 premiers, stables, ont l’âge du système solaire, lui-même né d’un nuage d'hydrogène, d'hélium et des cendres d’étoiles mortes. Au-delà de Z = 92, les éléments du tableau ont été obtenus artificiellement, "en laboratoire". CSNSM CNRS-IN2P3

Qu’est-ce que la matière ? atome électron proton noyau neutron quarks Photo CERN molécule atome noyau nucléon Le noyau est composé de nucléons : protons portant une charge positive, en nombre égal aux électrons, et neutrons sans charge électrique Les nucléons sont composés de 3 quarks http://www.cern.ch Photo-Di/9501005 © CERN CSNSM CNRS-IN2P3

Les isotopes de l’hydrogène 1 électron 1 proton deutérium 2H 1 électron 1 proton 1 neutron tritium 3H 1 électron 1 proton 2 neutrons Les noyaux d’hydrogène ont un seul proton. Le noyau d’hydrogène le plus courant est seulement formé d’un proton. Mais on peut ajouter un neutron, ce qui donne de l’hydrogène 2 ou deutérium qui est stable, lui aussi. Avec encore un neutron supplémentaire, on a l’hydrogène 3 ou tritium qui est radioactif. Le nombre de protons détermine l’élément chimique. L’isotope est fixé par le nombre de neutrons. Le nombre total de nucléons (protons + neutrons) donne la masse atomique. CSNSM CNRS-IN2P3

L’abondance des éléments Abondance relative 1 0,01 104 100 108 106 1010 Masse atomique 50 150 200 250 N=50 N=82 N=126 H He D groupe du fer Li Be B Maintenant qu’on a parlé des isotopes, Il faut aussi remarquer que les pics des noyaux lourds correspondent à des nombres de neutrons particuliers : 50, 82, et 126. Ce fut la première manifestation de ces nombres qu’on a dénommés « magiques ». Il faudra aussi en tenir compte dans les modèles élaborés pour reproduire cette courbe. Commençons par l’hydrogène et le deutérium. Ils ont été formés au moment du big-bang, et, malgré son nom (helios = Soleil), l’origine de l'hélium (10% du nombre d’atomes de l'Univers, soit 26% de sa masse) remonte aussi essentiellement au big-bang (hélium primordial). CSNSM CNRS-IN2P3

Processus de fusion Deux noyaux fusionnent pour n’en former qu’un seul en libérant de l’énergie Deux noyaux peuvent fusionner pour former un noyau plus gros en libérant de l’énergie. Ce processus concerne principalement les noyaux légers. CSNSM CNRS-IN2P3

La fusion dans les étoiles Hans Bethe 1H hydrogène 2H deutérium 3He hélium 3 4He hélium 4 C’est ce processus de fusion qui se produit dans les étoiles. Mais, après le big-bang, le matériau de départ est presque entièrement constitué de protons. Pour les faire fusionner, il faut : qu’ils puissent s’approcher suffisamment alors que leurs charges électriques positives font qu’ils se repoussent. Pour cela, il faut que la température soit suffisamment élevée. qu’en même temps, un proton se transforme en neutron car il est impossible de fabriquer un noyau avec seulement 2 protons qui se repoussent. Il faut des neutrons pour les « coller ». La probabilité de ce processus est très faible et demande beaucoup de temps. Heureusement, la densité de protons étant très grande dans les étoiles, le processus va pouvoir se dérouler quand même. Mais la fusion de l’hydrogène sera donc d’autant plus rapide que la masse de l’étoile est grande. Une fois le deutérium formé, un proton supplémentaire pourra s’ajouter pour former un noyau d’hélium 3. Celui-ci pourra alors fusionner avec un autre noyau d’hélium 3 pour former un noyau d’hélium 4 très stable, en relâchant les 2 protons en excès. Au total, 4 protons se seront transformés en un noyau d’hélium 4 composé de 2 protons et de 2 neutrons. De l’énergie a été libérée. Elle va permettre à l’étoile de rayonner et contribuer à échauffer encore plus l’étoile. 1 milliard d’années 1 seconde 1 million d’années CSNSM CNRS-IN2P3

Combustion de H Principalement de l’hydrogène et de l’hélium Contraction gravitationnelle Fusion de l’hydrogène hydrogène hélium L’étoile, très majoritairement constituée d’hydrogène va le consumer en le transformant en hélium. Pendant cette combustion, elle se trouve sur la séquence principale observée par Hertzsprung et Russel. Quand son cœur sera trop appauvri en hydrogène, la production de chaleur deviendra insuffisante pour équilibrer la gravitation. Equilibre gravitation – rayonnement Augmentation de la concentration en hélium au cœur CSNSM CNRS-IN2P3

Fin de la combustion de H Peu d’hydrogène au cœur: * Fin de la combustion de l’hydrogène * Contraction du cœur d’hélium * Contraction de l’étoile … hydrogène hélium hydrogène hélium La gravité provoque l’effondrement de l’étoile sur elle-même. L’hélium est comprimé au centre de l’étoile, ce qui provoque une augmentation de la température à l’intérieur de l’étoile. La combustion de l’hydrogène peut se prolonger en périphérie du cœur de l’étoile où l’hydrogène est encore abondant. Augmentation de la température au cœur et en périphérie ; Eventuelle combustion en couche de l’hydrogène ; CSNSM CNRS-IN2P3

Combustion centrale de l’hélium Etoile géante rouge Combustion centrale de l’hélium Combustion en couche de l’hydrogène ; hydrogène hélium hydrogène hélium Augmentation considérable de La taille de l’étoile Diminution de la température de surface Dans l’enveloppe d’hydrogène, au voisinage du cœur d’hélium la température devient suffisante pour démarrer une combustion en couche de l’hydrogène. L’étoile grossit alors. Au centre de l’étoile, la densité continue à augmenter et la température devient suffisante pour démarrer la combustion de l’hélium. L’étoile devient une « géante rouge ». -> rouge CSNSM CNRS-IN2P3

Le destin du soleil Naine Naine blanche sombre 1 M Géante rouge 100 100 millions 100 kg Géante rouge H He Séquence principale H Température Millions ° Si la masse de l’étoile est moins de deux fois celle du soleil, l’étoile devient une géante rouge, puis s’effondre. La pression exercée par sa matière restera en effet insuffisante pour que la température de son cœur lui permette de démarrer d’autres réactions nucléaires. Elle devient alors une naine blanche qui va se refroidir très lentement et s’éteindre en naine sombre, une étoile morte devenue invisible. 10 Durée (ans) 10 milliards Densité/cm3 CSNSM CNRS-IN2P3

Dans 5-6 milliards d’années Le destin du soleil Maintenant, après 4-5 milliards d’années Une naine sombre Dans 5-6 milliards d’années Une géante rouge Une naine blanche © Gregory C. Sloan Séquence principale Evolution de la taille du soleil à l’échelle vraie : la dimension des carrés correspond au diamètre de l’orbite terrestre autour du soleil. CSNSM CNRS-IN2P3

Le destin du soleil 3000° 5000° 7500° 30000° 1 100 10000 0,01 0,0001 luminosité Géantes rouges Séquence principale Dans le diagramme de Hertzsprung-Russell, une masse gazeuse légèrement plus lourde qu’une masse solaire se déplacera lentement. Elle se mettra à rayonner dans le domaine visible au voisinage de la séquence principale. Le soleil sera alors né. Il va d’abord se déplacer lentement dans la séquence principale, dans la direction des températures plus élevées. Il y restera environ 10 milliards d’années. Aujourd’hui il lui reste 5 à 6 milliards d’années. Il deviendra ensuite une géante rouge, puis finalement évoluera vers l’état de naine blanche. Ces dernières étapes ne prendront qu’une centaine de millions d’années. Naines blanches CSNSM CNRS-IN2P3

Fabriquer les éléments légers 2 16 8 15 12 14 11 13 10 9 6 7 5 4 1 3 protons Vers le fer 26Al 16O 27Al 29Al 29Si 31P 32S 30Si 28Si 27Si 26Si 29P 30S 24Mg 23Na 20Ne 23Mg 12C 3 4He  12C Considérons maintenant le cas d'une étoile dont la masse est plusieurs fois celle du Soleil. Quand les réactions de fusion ont épuisé l'hydrogène de son cœur, la température centrale de l'étoile s'élève avec la densité, l'énergie cinétique des noyaux s'accroît et leur permet de compenser leur répulsion électrique. De nouvelles réactions peuvent s'allumer, créant des noyaux de plus en plus lourds et stables. Mais la fusion de 2 noyaux d’hélium 4 ne donne pas un noyau stable. Il faut donc en faire fusionner 3 ensemble. Comme cela sera peu probable, ce processus sera lui aussi lent. Successivement il y aura combustion centrale de l'hélium qui forme du carbone (Z = 6) ; celle du carbone qui donne du néon (Z = 10), du sodium (Z =11) et du magnésium (Z = 12) ; puis celle du néon qui va donner de l'oxygène (Z = 8) ; de l'oxygène qui va donner du silicium (Z = 14) ; enfin du silicium qui nous amène au fer (Z = 26), le noyau le plus stable de tous. Au-delà, les réactions de fusion ne libèrent plus d’énergie mais en consomment. Il est commode de suivre ces événements sur une carte où le nombre de neutrons est en abscisse, et le nombre de protons en ordonnée. On se déplace sur la table des isotopes, version nucléaire de la table (atomique) de Mendeleiev. 1H 2H 3He 4He 1 2 4 3 5 6 7 8 10 11 9 14 13 12 15 16 neutrons CSNSM CNRS-IN2P3

Etoile massive supergéante rouge H He C,O Ne,Na,Mg Al, Si, P, S Fe H He C,O Ne,Na,Mg Al, Si, P, S H He C,O Ne,Na,Mg C,O He H H He H Chaque étape produit de nouveaux éléments, plus stables, et de numéros atomiques plus élevés. Quand un combustible est épuisé, l'étoile s'effondre sur elle-même. Nouvelle compression, et nouvel échauffement se succèdent de plus en plus rapidement. L'élévation de température a deux effets : d'une part, dissocier les noyaux formés les plus fragiles, d'autre part, initier la fusion de noyaux de numéro atomique plus élevé, dont la répulsion coulombienne est de plus en plus forte. Quand son centre - le coeur, soit 10-20% de l'étoile - est devenu du fer, aucune réaction nucléaire n'est énergétiquement avantageuse. On ne peut donc pas fabriquer ainsi d’éléments plus lourds que le fer. L'étoile se présente ainsi comme une succession de couches distinctes, riches d'éléments d'autant plus lourds qu'on va vers son centre (chaque couche est composée principalement d'un seul élément, les gradients de densité sont assez élevés pour que les couches ne se mélangent pas par convection ). Cette structure en "pelure d'oignon" est atteinte d’autant plus vite que la masse de l'étoile est plus élevée. CSNSM CNRS-IN2P3

Etoile massive géante bleue H He C,O Ne,Na,Mg Al, Si, P, S Fe H He C,O Ne,Na,Mg H He C,O Ne,Na,Mg Al, Si, P, S H He C,O He H Certaines étoiles massives perdront toute leur enveloppe d’hydrogène et même d’hélium Certaines étoiles massives vont perdre une grande quantité de matière au cours des différentes étapes décrites précédemment. Du fait de leur taille, la gravitation ne suffira pas à maintenir les couches extérieures de l’étoile, en particulier lors de leur passage au stade de géantes. Suivant leur masse initiale, certaines garderont une partie de leur enveloppe d’hydrogène. D’autres pourront la perdre complètement rendant visible la couche d’hélium. Certaines perdront même tout ou partie de leur hélium. Les étoiles de Wolf-Rayet sont de telles étoiles et leur température extérieure est très supérieure à celle des géantes ou super-géantes rouges. Elles se situent dans le diagramme de Hertzsprung-Russel dans les étoiles géantes bleues. CSNSM CNRS-IN2P3

Le destin des étoiles… Naine Naine blanche sombre Géante rouge 100 100 millions 100 kg Géante rouge H He supergéantes 2 M • 600 10 000 1  100 tonnes He H C,O Séquence principale H C,O He H Fe 1000… 1  100  1000 tonnes Température Millions ° Si sa masse est au moins égale à deux fois celle du soleil, l’étoile continue à grossir. Son centre est de plus en plus chaud, ce qui permet de fabriquer des éléments de plus en plus lourds. Si sa masse est suffisante, elle pourra fabriquer ainsi des éléments jusqu’au fer, et cela de plus en plus rapidement. La densité au centre est alors extrêmement élevée : 100 camions de 10 tonnes dans 1 centimètre cube! 10 10 milliards 100 millions Durée (ans) Densité/cm3 CSNSM CNRS-IN2P3

Les éléments légers Abondance relative Masse atomique 1 0,01 104 100 108 106 1010 Masse atomique 50 150 200 250 N=50 N=82 N=126 H He He C, O, Ne, Mg, Si… D groupe du fer Les éléments légers Li Be B Grâce à la fusion, les éléments légers sont ainsi fabriqués jusqu’au fer. Leurs abondances respectives traduisent leur stabilité et les divers processus décrits qui permettent de comprendre cette courbe et en particulier les pics jusqu’à celui du fer. CSNSM CNRS-IN2P3

Energie de liaison par nucléon 56Fe fusion fission L’énergie de liaison d’un noyau est la différence entre la somme des masses de ses constituants et sa masse. Plus elle est grande, plus le noyau est stable. Si elle est négative, le noyau ne paut pas exister car ses constituants n’ont aucune raison de rester « collés » ensemble. Quand on représente l’énergie de liaison par nucléon en fonction du nombre de nucléons du noyau, on voit qu’elle passe par un maximum aux alentours du fer. Cela veut dire que la fusion de noyaux plus légers que le fer libère de l’énergie. C’est pourquoi on a pu rendre compte de la fabrication de éléments plus légers que le fer par des fusions en chaîne dans les étoiles. Par contre la fusion de noyaux plus lourds que le fer consomme de l’énergie, et ils ne peuvent donc pas être produits par fusion dans les étoiles : Il faut trouver d’autres processus et d’autres circonstances pour les créer. La solution de ce problème a été trouvée en 1957. CSNSM CNRS-IN2P3

Les inventeurs de la nucléosynthèse Le secret de fabrication des éléments lourds est découvert en 1957 Margaret et Geoffrey Burbidge, William A. Fowler, et Fred Hoyle (juillet 1971) Mais pour aller plus loin, il faut faire appel à d’autres réactions nucléaires. L’article « Synthesis of the Elements in Stars », publié en 1957 dans Reviews of Modern Physics a donné les bases de la nucléosynthèse dans les étoiles. Ses auteurs étaient: Eleanor Margaret Burbidge (née en 1925) et son mari Geoffrey R. Burbidge (né en 1925), William A. Fowler, (1911-1995) et Fred Hoyle (1915-2001). Fowler, américain au caractère bouillant et extraverti, travaillait au Kellog Laboratory du Caltech depuis 1933. Fowler et son laboratoire ont joué un rôle important dans tout ce domaine de la nucléosynthèse, primordiale, puis stellaire. Hoyle et les Burbidge étaient anglais. L’article de 1957 est généralement cité comme « B2FH ». La photo prise en juillet 1971 lors d’une conférence sur les objets massifs montre les 4 inventeurs de notre compréhension de la nucléosynthèse. CSNSM CNRS-IN2P3

Principe de la nucléosynthèse protons 29 Cu 63 65 28 Ni 58 59 60 61 62 64 27 Co 59 26 Fe 54 55 56 57 58 30 35 40 neutrons Il y a compétition entre C’est parce qu’il faut vaincre la répulsion coulombienne des noyaux entre eux que les réactions de fusion nucléaire ne libèrent plus d’énergie pour les noyaux autour du fer. Par contre, les neutrons peuvent facilement être capturés par les noyaux car ils n’ont pas de charge électrique et peuvent donc facilement s’approcher du noyau. Dans cette table, les éléments stables, en noir, sont situés comme une rivière au fond d'une vallée. Ils forment « la vallée de stabilité »; pour s'en éloigner, il faut fournir de l'énergie, que ce soit pour augmenter le nombre des protons ou celui des neutrons. Des isotopes instables sont ainsi formés, de durée de vie courte (entre la milliseconde et la seconde), qui ne demandent qu'à retourner vers le fond de la vallée (par désintégration bêta). Cela donne lieu à une compétition entre la capture de neutrons et la radioactivité bêta. Ces isotopes instables sont appelés "exotiques". En s'éloignant encore plus de la stabilité, il n'est plus possible d'ajouter ou retrancher un nucléon sans que le noyau se désintègre immédiatement (c'est-à-dire en moins de 10-20s). •• Radioactivité – •• Capture d’un neutron - ν + ® e p n CSNSM CNRS-IN2P3

Le processus lent protons neutrons 30 40 50 60 70 80 90 100 20 238U 232Th 209Bi Quand peu de neutrons sont disponibles, le noyau met du temps à capturer un neutron. Il ne peut en capturer que quelques uns avant de retourner vers la vallée de stabilité par radioactivité bêta. Mais, en partant du fer, il est possible de fabriquer ainsi tous les éléments jusqu’au bismuth. 56Fe neutrons 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 140 130 20 150 160 170 CSNSM CNRS-IN2P3

Les éléments du processus lent Abondance relative 1 0,01 104 100 108 106 1010 Masse atomique 50 150 200 250 N=50 N=82 N=126 H He He C, O, Ne, Mg, Si… D groupe du fer L Li Be B L L L’existence des éléments lourds est donc expliquée, ainsi que les pics de droite de la courbe d’abondance pour les noyaux à 50, 82 et 126 neutrons. CSNSM CNRS-IN2P3

Nucléosynthèse avec beaucoup de neutrons protons 29 Cu 63 65 28 Ni 58 59 60 61 62 64 27 Co 59 26 Fe 54 55 56 57 58 neutrons 30 35 40 45 Pour expliquer les pics de gauche, il faut encore imaginer une situation un peu différente et supposer qu’il peut parfois exister une très grande densité de neutrons libres. Le noyau peut alors capturer beaucoup de neutrons en peu de temps et avant de se désintégrer par radioactivité bêta. Capture d’un neutron Radioactivité – - ν + ® e p n CSNSM CNRS-IN2P3

Le processus rapide protons neutrons N=126 N=82 N=50 30 40 50 60 70 80 90 100 20 232Th 238U 209Bi 56Fe 110 120 140 130 150 160 170 N=50 N=82 N=126 Ce processus est dit rapide car la capture de neutrons se fait alors très vite. Il fait intervenir des noyaux beaucoup plus éloignés de la vallée de stabilité que le processus lent. L’accumulation des noyaux pour 50, 82, 126 neutrons, clairement visible sur la courbe des abondances est directement reliée aux propriétés de stabilité des noyaux présentant ces nombres de neutrons « magiques » sur lesquels s’appuie la courbe rose, chemin vraisemblable du processus rapide. neutrons CSNSM CNRS-IN2P3

L’abondance des éléments Abondance relative 1 0,01 104 100 108 106 1010 Masse atomique 50 150 200 250 N=50 N=82 N=126 H He He C, O, Ne, Mg, Si… D groupe du fer R L Li Be B R L R L A ce stade, la création de l’ensemble des éléments chimiques a pu être expliquée au moins qualitativement, mais où peut-on trouver les densités de neutrons nécessaires pour ces processus de capture de neutrons ? Si des pistes sont envisagées aucun site stellaire n’est encore certain. Il reste encore du travail de recherche pour arriver à élucider bon nombre de questions. CSNSM CNRS-IN2P3

Le destin des étoiles… Naine Naine blanche brune Géante rouge 1 M • Naine brune 100 100 millions 100 kg Géante rouge H He supergéantes 2 M • 600 10 000 1  100 tonnes He H C,O supernova Quelques secondes Séquence principale H C,O He H Fe 1000… 1  100  1000 tonnes Température Millions ° Reprenons l’évolution des étoiles : L'effondrement des supergéantes s'arrête lorsque le cœur atteint une densité voisine de celle de la densité nucléaire (1014 g/cm3) et constitue alors un gigantesque noyau, totalement incompressible. La matière extérieure au cœur continuant à être attirée par le cœur à des vitesses importantes, un rebond a lieu (comme un ressort très raide et comprimé qu'on lâche). Une onde de compression se dirige alors vers l'extérieur, rencontre des régions de densité moindre, qu'elle traverse comme une onde de choc. C'est le phénomène de supernova, explosion caractéristique d'une étoile massive, et qui laisse derrière lui une étoile à neutrons, ou un trou noir. L'explosion de la supernova est un événement extrêmement rapide, qui n'excède pas la seconde. Elle libère des flux considérables de neutrons vers l'extérieur de l'étoile, ce qui doit permettre le développement du processus rapide. Actuellement la principale question vient du fait de la complexité des processus intervenant à ce stade d’évolution de l’étoile. Aujourd’hui encore, aucune modélisation n’arrive à reproduire une explosion de supernova. 10 10 milliards 100 millions Durée (ans) Densité/cm3 CSNSM CNRS-IN2P3

Explosion d’une supernova février 1987 © Anglo-Australian Observatory © Anglo-Australian Observatory Et pourtant, elles sont observées… L’explosion d’une supernova constitue l'événement le plus violent et le plus grandiose de l'astronomie. Elle a aussi pour effet de changer la composition du matériau qui va être projeté dans l'espace (nucléosynthèse explosive), grâce au flux très important de neutrons projetés avec les couches extérieures de l'étoile qui sont éjectées. La photo de gauche, prise en 1985 montre le grand nuage de Magellan. L’étoile indiquée par la flèche est très près de mourir… Sur la photo de droite, prise en février 1987, elle vient d’exploser en supernova. Elle s’appelle désormais SN1987A. A dire vrai, son explosion a été observée deux semaines auparavant, mais en réalité, l’événement s’est passé environ 175 000 ans plus tôt ! 1985 CSNSM CNRS-IN2P3

2 semaines après l’explosion La supernova SN1987A En 2003 En février 1987 2 semaines après l’explosion L’étoile la plus brillante de la photo de 1987 est la première supernova visible à l’œil nu depuis plus de 400 ans. La photo a été prise en février 1987, 2 semaines environ après son explosion. Elle est dans le grand nuage de Magellan qui n’est visible que depuis l’hémisphère sud. A droite, la photo de 2003 a été prise par le télescope spatial Hubble. On pense que l’anneau très brillant est constitué de gaz et de poussières chauffés par la supernova. Il a fallu 170 000 ans pour que la lumière nous parvienne ! CSNSM CNRS-IN2P3

La nébuleuse du crabe à 6000 années lumière de la terre, La nébuleuse du crabe (Messier 1) est à 6000 années-lumière. Il s'agit des résidus d'une explosion de supernova observée à l’œil nu depuis la terre en 1054. Au centre se trouve une étoile à neutrons qui tourne sur elle-même 30 fois par seconde. La supernova a ainsi ensemencé en éléments relativement lourds le matériau des futures étoiles, Dans la partie extérieure d'une étoile "moyenne", les éléments allant du carbone au fer sont projetés lors du dernier effondrement, à des vitesses bien supérieures à leur vitesse de libération, dans l'espace où ils rejoignent le gaz et les poussières du milieu interstellaire. C'est à partir de ce mélange, enrichi en éléments "lourds", que de nouvelles étoiles pourront se former. Ainsi le système solaire reflète la composition du gaz interstellaire il y a environ 4,6 milliards d'années. L'énergie ainsi libérée sous forme de lumière ou d'énergie cinétique des débris, atteint le chiffre formidable de 1044 Joules. Crédit : ESO/VLT l’explosion de cette supernova avait été observée en 1054 CSNSM CNRS-IN2P3

Des étoiles meurent, d’autres naissent… La nébuleuse du crabe La supernova SN1987 Des étoiles naissent… Orion Le cycle de la vie des étoiles est ainsi bouclé dans ses grandes lignes : Une supernova comme celle observée en 1987 signe la mort d’une étoile massive. 1000 ans plus tard, les résidus de la supernova qui se dispersent forment une nébuleuse comme la nébuleuse du crabe et vont semer des graines d’étoiles. Beaucoup plus tard, une nébuleuse comme la nébuleuse d'Orion, prise ici par la sonde Hubble, illustre la présence de proto-étoiles et l'accrétion des poussières. C’est une vraie pépinière d’étoiles. La séquence principale vit : elle s’enrichit de nouvelles étoiles alors que d’autres en sortent, dont les plus massives finiront en supernova, puis trou noir ou étoile à neutrons… Le cycle recommence… L’univers s’enrichit lentement en éléments lourds. Une étoile meurt… CSNSM CNRS-IN2P3

La vie du soleil ~1010 ans luminosité 10000 Géantes rouges 100 1 Séquence principale 0,01 0,0001 Il est donc possible maintenant d’imaginer aussi quelle fut la vie passée du soleil qui est indiquée en bleu… Et quel sera son futur, en rouge. Naines blanches 30000° 7500° 5000° 3000° CSNSM CNRS-IN2P3

La vie d’une étoile de 15 M luminosité 10000 ~1,2 x 107 ans Super géante rouge Géante rouge 100 ~1,1 x 107 ans Meurt en Supernova ; enrichit le gaz interstellaireen éléments lourds 1 Séquence principale 0,01 De même pour la vie à venir d’une étoile de 15 masses solaires de la séquence principale (en rouge). La vie des étoiles nous permet également de comprendre la formation des éléments. En résumé : nucléosynthèse primordiale (big-bang) : D,3He,4He , très peu 7Li fusion de l'hydrogène dans les étoiles : 4He fusion de l'hélium dans les géantes rouges : C et O fusion du carbone et de l'oxygènedans les supergéantes : Ne, Na,Mg,Si fusion du silicium dans les supernovae : Fe,Co,Ni capture lente de neutrons dans les géantes rouges : Cu,Zn,Pb capture rapide de neutrons dans les supernovae : Au,Pt,U spallation noyaux rapides : Li, Be,B 0,0001 30000° 7500° 5000° 3000° CSNSM CNRS-IN2P3

Le processus rapide protons neutrons N=126 N=82 N=50 30 40 50 60 70 80 90 100 20 N=50 N=82 N=126 110 120 140 130 150 160 170 neutrons ETFSI DM Sur la carte des noyaux, on a mis en couleur tous les noyaux dont on a mesuré la masse. Le calcul du processus rapide a besoin de données sur les masses et les demi-vies. On voit sur la carte qu’il manque beaucoup de données expérimentales sur des noyaux très éloignés des noyaux stables, et qu’on n’a pas encore réussi à fabriquer. Il faut alors faire appel à des modèles de noyaux pour prédire les masses inconnues. Sur la carte, les résultats de deux modèles différents sont représentés : selon le modèle utilisé, le processus r peut être assez différent. Il est donc essentiel de mesurer la masse de noyaux très exotiques, mais la précision nécessaire est de l’ordre du dix-millionième : un gramme sur un camion de 10 tonnes. CSNSM CNRS-IN2P3

Ce que les physiciens étudient au CSNSM Les domaines de recherche au CSNSM sont assez variés et vont de l’étude des propriétés des matériaux à celles des interactions fondamentales en passant par la mesure des masses des noyaux exotiques. Elles couvrent également différents domaines en astrophysique : nucléosynthèse primordiale et stellaire; étude des rayonnements gamma (rayonnement analogue aux rayons X, mais plus énergétique) émis par les étoiles ou par le milieu interstellaire; étude des micrométéorites; Centre de Spectrométrie Nucléaire et de Spectrométrie de Masse CNRS-IN2P3 et Université Paris-Sud CSNSM CNRS-IN2P3

L’expérience MISTRAL au CERN Mesures de masses à quelques 10 millionièmes près Pour des noyaux de demi-vie de quelques millisecondes L’expérience Mistral au CERN essaie de répondre au besoin de données sur les masses des noyaux exotiques. Cette expérience est installée au CERN (organisation européenne pour la recherche), près de Genève. Les ions radioactifs produits par un accélérateur de particules sont séparés en masse et envoyés dans le spectromètre MISTRAL. La masse est déterminée en mesurant la fréquence de rotation dans le champ magnétique (sur la photo, on voit l’aimant créant ce champ en bleu). MISTRAL a été construit au laboratoire, puis installé au CERN. Les données enregistrées au CERN sont ensuite analysées au laboratoire. CSNSM CNRS-IN2P3

Le Soleil vu par SOHO Cette image du soleil a été prise par le satellite SOHO. Les tâches claires révèlent des « flares » qui sont de grandes éruptions. Elles émettent des rayonnements gamma. Une équipe du CSNSM travaille sur la compréhension de ces émissions.

Etude du soleil avec Integral Le satellite INTEGRAL mis sur orbite fin 2002 Masque IBIS 15 keV - 10 MeV E/E ~ 6% 1’ Masque XRM 3 - 35 keV STR SPECTROMETRE 20 keV - 8 MeV E/E ~ 2%0 à 1 MeV 2° « Flare » solaire 28 octobre 2003 Le satellite INTEGRAL a été mis sur orbite en 2002. Le laboratoire avait participé à son étalonnage. Depuis 2002, il envoie des mesures du rayonnement gamma émis par différents sites. Certaines sont analysées au laboratoire. Bien que le soleil n’ait pas été dans son champ de vision, le spectromètre gamma d’Integral, SPI, a enregistré des spectres de la très puissante éruption solaire du 28 octobre 2003. CSNSM CNRS-IN2P3

Collecte et étude de micrométéorites Une autre équipe étudie les micrométéorites. On a vu au début un morceau de 2 tonnes de la météorite d’Allende. Ici, au contraire, ces météorites ont une dimension de moins d’un millimètre, mais elles sont arrivées sur terre sans être altérées. Pour collecter les grosses météorites, qui sont souvent noires, on va souvent dans les déserts de sable clair. Pour les micrométéorites, il faut être dans un environnement comportant très peu de poussières : les glaces des pôles correspondent à cette requête. Il est possible d’y collecter des poussières dont plus de la moitié sont extraterrestres. Sur la photo, des chercheurs du laboratoire font une telle collecte dans l’antarctique. Les micrométéorites sont ensuite étudiées au laboratoire. CSNSM CNRS-IN2P3

Et ce n’est pas tout… La vie des étoiles n’a été décrite que pour des étoiles isolées. Les systèmes binaires sont très nombreux… Novae; autres supernovae; sursauts gamma… Au cours de cet exposé, des grandes lignes de la vie des étoiles et de leur importance quant à la fabrication des éléments ont été décrites. Tout n’a pas pu être abordé, en particulier les systèmes binaires qui peuvent donner naissance à des novae, d’autres supernovae ou même des sursauts gamma… CSNSM CNRS-IN2P3

Quelques sites web sur les métiers scientifiques http://www.sg.cnrs.fr/drh/publi/pdf/CNRS-metiers.pdf http://www.sg.cnrs.fr/drh/publi/pdf/CNRS-metiers-fiches.pdf http://www.int-evry.fr/femmes_et_sciences/diaporama/Fillesetgarcons.htm http://www.elles-en-sciences.org/home.php

2 semaines après l’explosion La supernova SN1987A En février 1987 2 semaines après l’explosion L’étoile la plus brillante de la photo de 1987 est la première supernova visible à l’œil nu depuis plus de 400 ans. La photo a été prise en février 1987, 2 semaines environ après son explosion. Elle est dans le grand nuage de Magellan qui n’est visible que depuis l’hémisphère sud. La photo de 1994, prise par le télescope spatial Hubble, montre la supernova, au centre de la photo (les deux étoiles brillantes ne sont pas associées à la supernova). On pense que l’anneau jaune, très brillant, est du gaz et de la poussière chauffés par la supernova. Les deux grands anneaux paraissent associés à la supernova, mais ne sont pas encore bien compris actuellement. Il a fallu 170 000 ans pour que la lumière nous parvienne ! En 1994 CSNSM CNRS-IN2P3

Etoile massive supergéante rouge H He C,O Ne,Na,Mg Al, Si, P, S Fe Etoile massive supergéante rouge H He C,O Ne,Na,Mg Al, Si, P, S H He C,O Ne,Na,Mg C,O He H H He C,O H He H Chaque étape produit de nouveaux éléments, plus stables, et de numéros atomiques plus élevés. Quand un combustible est épuisé, l'étoile s'effondre sur elle-même. Nouvelle compression, et nouvel échauffement se succèdent de plus en plus rapidement. L'élévation de température a deux effets : d'une part, dissocier les noyaux formés les plus fragiles, d'autre part, initier la fusion de noyaux de numéro atomique plus élevé, dont la répulsion coulombienne est de plus en plus forte. Quand son centre - le coeur, soit 10-20% de l'étoile - est devenu du fer, aucune réaction nucléaire n'est énergétiquement avantageuse. On ne peut donc pas fabriquer ainsi d’éléments plus lourds que le fer. L'étoile se présente ainsi comme une succession de couches distinctes, riches d'éléments d'autant plus lourds qu'on va vers son centre (chaque couche est composée principalement d'un seul élément, les gradients de densité sont assez élevés pour que les couches ne se mélangent pas par convection ). Cette structure en "pelure d'oignon" est atteinte d’autant plus vite que la masse de l'étoile est plus élevée. H CSNSM CNRS-IN2P3